система ориентации антенны станции связи

Формула изобретения

Система ориентации антенны станции связи, содержащая последовательно соединенные блок управления антенной, поворотное устройство антенны, антенну, отличающаяся тем, что дополнительно введены блок управления станции, подключенный к блоку управления антенной, n навигационных спутников, первая, вторая и третья навигационные антенны, каждая из которых подключена к входу первого, второго, третьего навигационных приемников соответственно, выходы которых соединены с первым, вторым и третьим входами блока управления антенной.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам управления и ориентации антенн. Изобретение может быть использовано для ориентации антенн мобильных и стационарных станций связи за счет непрерывной выработки высокоточной навигационной информации о координатах, курсе, крене и тангаже станции связи.

Известна следящая наблюдательная система [1], содержащая последовательно соединенные блок наведения и стабилизации, пеленгатор, преобразователь из инструментальной в стабилизированную систему координат, коммутатор, корректирующее устройство, преобразователь из стабилизированной в инструментальную систему координат, гироскопический датчика угла, преобразователь из инструментальной в исполнительную систему координат, выходом соединенный с первым входом блока наведения и стабилизации, и имитатор гироскопического датчика угла, первым входом соединенный с выходом корректирующего устройства, а вторым - со вторым выходом блока наведения и стабилизации, выход имитатора гироскопического датчика угла соединен со вторым входом блока наведения и стабилизации. Гироскопический датчик угла расположен на той же платформе, что и приемное устройство пеленгатора.

Данная система решает задачу слежения за подвижными объектами, в том числе с качающегося основания, и может быть использована для ориентации и стабилизации объектов.

Недостатками следящей наблюдательной системы является то, что не обеспечивается высокая точность стабилизации антенны по углу места и по азимуту за счет накапливания с течением времени ошибки в гироскопических устройствах [2, 3], что, в свою очередь, снижает надежность.

Наиболее близка к заявляемой система стабилизации антенны мобильной радиолокационной системы обнаружения [4], содержащая задатчик угла стабилизации, датчик угла наклона продольной оси основания антенны и датчик угла наклона поперечной оси основания, подключенные соответственно к первому, второму и третьему входам функционального преобразователя координат (далее в материалах заявки названного блоком управления антенны), следящий привод (далее в материалах заявки названный поворотное устройство антенны), выход которого является выходом системы, а также датчик азимутального положения, в котором имеется дифференцирующее устройство, задатчик времени запаздывания, множительное устройство, сумматор, задатчик коэффициента передачи и масштабный усилитель, выход сумматора подключен к четвертому входу функционального преобразователя координат, а выход датчика азимутального положения подключен к входу дифференцирующего устройства и первому входу сумматора, второй вход сумматора подключен к выходу множительного устройства, первый вход множительного устройства соединен с выходом дифференцирующего устройства, а второй вход соединен с выходом задатчика времени запаздывания, первый вход масштабного усилителя подключен к выходу функционального преобразования координат, второй вход масштабного усилителя подключен к выходу задатчика коэффициента передачи, а выход масштабного усилителя подключен к входу следящего привода.

Данная система решает задачу регулирования направления и может быть использована для стабилизации положения луча диаграммы направленности объектов.

Недостатком данной системы является то, что система не обеспечивает высокую точность стабилизации антенны по углу места и по азимуту, невозможна стабилизация и ориентация антенны при работе в движении из-за отсутствия выработки координат станции.

В основу изобретения положена задача создания системы ориентации антенны станции связи, обеспечивающей непрерывное высокоточное определение координат, курса, крена и тангажа станции связи и наведение антенны на корреспондента в движении и на стоянке.

Поставленная задача решается тем, что в систему ориентации антенны станции связи, содержащую последовательно соединенные блок управления антенной, поворотное устройство антенны, антенну, согласно изобретению дополнительно введены блок управления станции, подключенный к блоку управления антенной, n навигационных спутников, первая, вторая и третья навигационные антенны, каждая из которых подключена к входу первого, второго и третьего навигационных приемников соответственно, выходы которых соединены с первым, вторым и третьим входами блока управления антенной.

В отличие от известной в предлагаемой системе ориентации антенны станции связи дополнительно введены блок управления станции, подключенный к блоку управления антенной, n навигационных спутников, первая, вторая и третья навигационные антенны, каждая из которых подключена к входу первого, второго и третьего навигационных приемников соответственно, выходы которых соединены с первым, вторым и третьим входами блока управления антенной.

Дополнительное введение блока управления станции, подключенного к блоку управления антенной, n навигационных спутников, первой, второй и третьей навигационных антенн, каждая из которых подключена к входу первого, второго и третьего навигационных приемников соответственно, выходы которых соединены с первым, вторым и третьим входами блока управления антенной, позволяет создать систему ориентации антенны станции связи, обеспечивающей непрерывное высокоточное определение координат, курса, крена и тангажа станции связи и наведение антенны на корреспондента в движении и на стоянке.

Изобретение поясняется чертежами, на которых:

на фиг.1 изображена структурная схема системы ориентации антенны станции связи;

на фиг.2 - алгоритм работы системы ориентации антенны станции связи;

на фиг.3 и 4 - чертежи, поясняющие принцип ориентации и наведения антенны станции связи на корреспондента;

на фиг.5 - структурная схема варианта блока управления антенной.

Система ориентации антенны станции связи (фиг.1) содержит n навигационных спутников l₁ l_n, первую 2, вторую 3 и третью 4 навигационные антенны, подключенные соответственно ко входам первого 5, второго 6 и третьего 7 навигационных приемников, выходы которых соединены с первым, вторым, третьим входами блока управления антенной 8, выход которого соединен с входом блока управления станции 9, второй выход блока управления антенной 8 соединен с входом поворотного устройства антенны 10, которое жестко соединено с антенной 11.

Работает система следующим образом.

Сигналы от навигационных спутников l₁ l_n спутниковой радионавигационной системы, например ГЛОНАСС, принимаются первой 2, второй 3 и третьей 4 навигационными антеннами, в навигационных приемниках 5, 6, 7 определяются радионавигационные параметры , , . С выхода навигационных приемников 5, 6, 7 измеренные значения радионавигационных параметров , , поступают соответственно на блок управления антенной 8, где производится расчет координат станции и ее угловых параметров (курс, тангаж, крен) [5, с.206-208].

В случае использования в качестве радионавигационных параметров результатов измерений псевдодальностей для определения координат станции может быть использован алгоритм, приведенный, например, в [5].

Навигационные антенны 2, 3, 4 размещены таким образом на объекте, чтобы была угловая привязка пространственного положения навигационных антенн 2, 3, 4 к пространственному расположению оси диаграммы направленности антенны связи. В блок управления станции 9 от внешнего источника информации (фиг.2), например клавиатуры, записывается информация о координатах корреспондента. Информация о координатах корреспондента, хранящаяся в блоке управления станции 9, и информация о координатах станции, поступающая из блока управления антенной 8 в блок управления станции 9, используются для расчета задаваемого азимута _z и задаваемого угла места _z для наведения антенны станции связи на корреспондента. Полученные значения _zn и _zn (n=1 - номер измерения навигационных параметров) блок управления станции 9 передает в блок управления антенной 8, где значения _zn и _zn записываются в него и используются для дальнейших вычислений. Измерение радионавигационных параметров навигационными антеннами 2, 3, 4 и навигационными приемниками 5, 6, 7, а также расчет координат станции блоком управления антенной 8 с заданным циклом повторяется, соответственно, циклически производится расчет задаваемого азимута _zn и задаваемого угла места _zn. Расчет угловых параметров в блоке управления антенной 8, курса ( ), тангажа ( ), крена ( ) с заданным циклом повторяется, и для дальнейших вычислений используются новые значения _n, _n, _n. Измерение радионавигационных параметров навигационными антеннами 2, 3, 4 и навигационными приемниками 5, 6, 7, а также расчет координат станции и ее угловых параметров блоком управления антенной 8 циклически повторяется, соответственно, циклически производится анализ блоком управления антенной 8 по изменению угловых параметров станции (курса, тангажа, крена). После расчета новых значений и записи в блок управления антенной 8 новых значений (азимута, угла места, курса, тангажа или крена) производится последовательное вычисление в соответствии с фиг.2. Определяется азимут антенны ( ) по формуле

= _z- - ,

где - азимут антенны относительно станции (фиг.3);

- угол отклонения, разница между азимутом станции (курсом) и нулевым положением антенны относительно станции или поворотного устройства (фиг.3).

Далее в блоке управления антенной 8 происходит вычисление фактического угла места ( _ф) диаграммы направленности антенны относительно станции связи с учетом крена и тангажа (фиг.3) по формуле [6], преобразованной к виду:

_ф=arcsin[cos ·cos _z·sin(- )·cos -sin ·cos _z·sin +sin _z·cos(- )·cos ].

Далее в блоке управления антенной 8 рассчитывается фактический азимут _ф диаграммы направленности антенны относительно станции связи с учетом крена и тангажа по формуле

. Рассчитанные значения фактического угла места _ф и фактического азимута _ф поступают с выхода блока управления антенной 8 в поворотное устройство антенны 10, где происходит наведение диаграммы направленности антенны 11 по полученным значениям _ф и _ф.

Длительность цикла работы системы ориентации антенны станции связи выбирается таким образом, чтобы успевали выполняться прием, измерения, обработка радионавигационной информации, вычисление значений фактического угла места и фактического азимута, а также ориентация антенны по вычисленным значениям фактического угла места и фактического азимута.

Блок управления антенной 8 в связи с большим объемом вычислений необходимо реализовать, например, на основе микропроцессора Intel 80386 по типовой структуре, описанной в [7, стр.13].

На фиг.5 приведена структурная схема варианта блока управления антенной 8, содержащего тактовый генератор 12, арифметический сопроцессор 13, микропроцессор 14, соединенный с локальной магистралью при помощи логики управления магистралью 15, локальную память 16, служащую для хранения программ и промежуточных данных, и контроллер прерываний 17, осуществляющий взаимодействие с блоками 5, 6, 7, 9.

Локальная магистраль состоит из шины данных, по которой передается информация с подключенных внешних устройств: первого навигационного приемника 5, второго навигационного приемника 6, третьего навигационного приемника 7, блока управления станции 9, а также организуется выдача информации в поворотное устройство антенны 10, шины адреса, служащей для адресации памяти и выбора внешних устройств и шины управляющих сигналов, таких как «Чтение памяти», «Запись в память», необходимых при работе программ. Контроллер прерываний 17 обрабатывает сигналы прерываний от блоков 5, 6, 7, 9 и вырабатывает сигнал «Запрос прерывания», поступающий на вход маскируемого прерывания микропроцессора 14. Локальная память 16 содержит постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). В ПЗУ содержится программа обработки, реализующая алгоритм, приведенный на фиг.2, а также константы и другая необходимая информация. ОЗУ содержит текущие данные, приходящие с блоков 5, 6, 7, 9, и информацию, необходимую для передачи в поворотное устройство 10. Арифметический сопроцессор 13 соединен локальной магистралью с микропроцессором 14 и предназначен для выполнения математических вычислений. Тактовый генератор 12 формирует сигналы тактовой частоты CLK2, поступающие на входы тактовой частоты микропроцессора 14 и сопроцессора 13.

При реализации блока управления станции 9 на базе микропроцессора Intel 80386 должны быть использованы микросхемы следующих типов: тактовый генератор 12 - i82384; микропроцессор 14 - i80386; арифметический сопроцессор 13 - i80387; контроллер прерываний 17 - i8259 или их аналоги, выпускаемые отечественной промышленностью.

Структурная схема варианта блока управления станции 9 отличается от схемы блока управления антенной 8 тем, что контролер прерываний 17 обрабатывает сигналы прерываний от блока управления антенной 8 и от внешнего источника информации, например клавиатуры, подключаемого к системе для передачи информации о координатах корреспондента. К локальной магистрали подключаются внешние устройства: блок управления антенной 8, внешний источник информации. Назначение остальных блоков, входящих в блок управления станции 9, не отличается от блоков, входящих в блок управления антенной 8.

Навигационные приемники 5, 6, 7 могут быть выполнены в соответствии с рис. 1.14 [8], рис.38 [9].

Для практического выполнения заявляемой системы могут быть использованы серийно выпускаемые механические элементы, элементы автоматики и вычислительной техники. Поворотное устройство антенны 10 и антенна 11 широко описаны в литературе, например [10, 11].

Использование изобретения позволит:

- обеспечивать оперативную стабилизацию антенны при работе в движении, в том числе высокоскоростных и маневрирующих станций связи, а также на стоянке;

- уменьшить время на наведение антенны на корреспондента;

- исключить участие обслуживающего персонала станции в ориентации

и стабилизации станции связи.

Рассмотрим числовой пример применения предлагаемой системы при ориентации антенны станции связи на корреспондента.

Измерение разностей фаз принятых сигналов в точках 2, 3, 4 позволяет определить азимут (курс), тангаж и крен станции связи и непрерывно выдавать их совместно с координатами станции связи в блок управления антенной 8. При этом аппаратурная погрешность измерений фазовых сдвигов на несущих частотах системы ГЛОНАСС в диапазоне частот 1600 МГц составит 0.01фц (3.6°). Исходя из этого, величина погрешности определения азимута (курса) и углов тангажа и крена может быть определена по приближенной формуле:

,

где - длина волны принятых сигналов для несущей, равной 1600 МГц, составляет 0.1875 м; В - расстояние между фазовыми центрами антенн 2, 3 и 4, расположенных, как показано на фиг.3.

При расстоянии между фазовым центрами антенн 2, 3 и 4 В=2 м погрешность измерения азимута (курса) и углов тангажа и крена станции связи составляет не более 4 угловых минут и не изменяется с течением времени.

Это обеспечивает высокую точность наведения антенны станции связи на корреспондента.

Литература

1. Патент РФ № 2211473, кл. G05D 3/12, опубл. 27.08.2003 г.

2. Бабаева Н. Гироскопы. / Н.Бабаева. - Л.: Машиностроение, 1973.

3. Шереметьев А. Волоконный оптический гироскоп. / А.Шереметьев. - М.: Радио и связь, 1987.

4. Патент РФ № 2058578, кл. G05D 1/00, опубл. 20.04.1996 г.

5. Сетевые спутниковые радионавигационные системы. Под ред. В.С.Шебшаевича. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1993.

6. SU, авторское свидетельство, 1805451, кл. G05D 1/00, опубл. 30.03.1993 г.

7. Брамм П., Брам Д. Микропроцессор 80386 и его программирование: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990.

8. Цифровые радиоприемные системы. Под ред. Жодзижского. М.: Радио и связь, 1990.

9. Бортовые устройства спутниковой навигации. Под ред. В.С.Шебшаевича. М.: Транспорт, 1988.

10. Покрас А.М. и др. Антенны земных станций спутниковой связи. - М.: Радио и связь, 1985.

11. Механизмы вращения антенн. Перевод с анг. Под ред. Г.С.Ханевского. М.: Советское радио, 1951.